Synthesis and characterization of a novel cathode architecture for a fuel cell operating in an intermediate temperatures range
Synthèse et caractérisation d'une nouvelle architecture de cathode pour pile à combustible fonctionnant aux températures intermédiaires (ITSFOC)
Résumé
This thesis highlights two important areas of research towards the improvement of cathode performance in a SOFC. 1) Mesostructured thin films of CGO were synthesized with the sol-gel process - utilizing block copolymers combined with the process of dip-coating. This type of film, with controlled porosity, was then incorporated into the cathode/electrolyte interface of a cell. The efficiency of these films was tested in fuel cell stacks showing a reduction in the ohmic losses within the cell and thus the improvement of the overall fuel cell's performance. 2) Additionally, towards the development of LSC-CGO composite cathodes, to decrease the operating temperature to 600, an innovative architecture for a ITSOFC was studied. We chose to develop this composite by infiltrating LSC nanoparticles into a porous CGO layer. A thick layer of CGO with both macro and mesopores was synthesized by infiltrating a CGO solution into a compact layer of PMMA spheres with respectively different size ranges. The hierarchical porous layer was obtained after calcination of the film. The macropores were produced by thermal decomposition of large PMMA particles and the mesopores were obtained through decomposition of smaller PMMA or any additional block copolymers. The synthesis of LSC nanoparticles in a polyol medium has been studied. Nanoparticles were obtained after heat treatment at high temperatures and a further study of the low temperature synthesis of smaller LSC nanoparticles is required to achieve the composite. This work highlights the efficiency of the infiltration process in the synthesis of hierarchical porous cathodes for SOFC.
Cette thèse présente deux axes de recherches pour améliorer les performances de la cathode d'une pile SOFC. 1) Des films minces mésostructurés de CGO ont été réalisés par le procédé sol-gel, incluant l'utilisation de copolymères à bloc, associé à du dip-coating. Ce type de film, de porosité contrôlée, a ensuite été intégré à l'interface cathodique d'un dispositif complet. L'efficacité de ces films a été testée en pile complète et se traduit par une diminution de la chute ohmique dans la pile, améliorant ainsi ses performances. 2) Une nouvelle architecture de cathode composite LSC-CGO a ensuite été étudiée pour le fonctionnement d'une ITSOC à 600°C. Nous avons choisi d'élaborer ce composite par infiltration de nanoparticules de LSC dans une couche poreuse de CGO. Une matrice de CGO, présentant des mésopores et des macropores, a été réalisée par infiltration d'un sol de précurseurs de CGO dans une couche poreuse formée de billes de PMMA. La matrice à porosité hiérarchique a été obtenue après calcination du film hybride : les macropores sont issus de la décomposition thermique de grosses billes de PMMA et les mésopores sont obtenus par décomposition soit de plus petites billes de PMMA soit d'un copolymère initialement présent dans le sol de CGO. La réalisation de nanoparticules de LSC en milieu polyol a également été étudiée : des nanoparticules ont été obtenues après un traitement thermique à haute température et une étude complémentaire de la synthèse à basse température de nanoparticules de plus petites tailles est nécessaire pour réaliser le composite. Ce travail présente l'intérêt de la synthèse par infiltration pour la réalisation de cathodes de SOFC à porosité contrôlée